基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置及方法
基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种基于激光扫描的高档数控机床模态 振型测试装置及方法。
【背景技术】
[0002] 在机床行业，一般以数控机床所控制的轴数为标准来划分档次，三轴以下的为低 档，三至五轴、或五轴以上为高档数控机床。目前，我国机床制造企业竞相研发高档数控机 床，但我国多半个高档数控机床市场份额被外商所占有，其中的一个重要原因是机床行业 基础研发能力薄弱，实验软、硬件条件落后，缺乏先进的测量技术与测量手段。高档数控机 床振型测试是机床研发过程中的一个重要环节，一般包括模态振型测试和工作振型测试， 其对于了解机床的薄弱环节、结构优化设计、故障诊断、切削稳定性预测等都具有极其重要 的意义。由于激光测振仪具有非接触无损测试的优点，且测振距离可调，还可以实现高速旋 转、高频、高温等环境的振动测试。目前，许多机床企业希望将其应用于高档数控机床的模 态振型测试，但由于传统的激光测振仪使用不方便，无法满足结构尺寸大、表面形状复杂的 高档数控机床模态振型测试的需求。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于激光扫描的高档数控机床模态振 型测试装置及方法。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] -种基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，包括：信号发生器、多个功 率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业计算机；
[0006] 所述信号发生器的输入端与所述工业计算机的输出端连接；所述信号发生器的输 出端同时与所述多个功率放大器的输入端相连接；所述多个功率放大器与所述多个激振器 之间以及所述多个激振器与所述多个力传感器之间均为为一对一独立连接；所述多个力传 感器分布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接所述数据 采集仪的输入端；所述数据采集仪的另一输入端与所述激光扫描装置中的激光测振仪的输 出端相连接；同时，数据采集仪还与工业计算机互联；
[0007] 所述信号发生器用于根据工业计算机的指令，发出相应频率的多路随机激励信号 并分别发送给多个功率放大器；
[0008] 所述多个功率放大器用于同时分别对多路激励信号进行放大，并将放大后的激励 信号分别发送给多个激振器；
[0009] 所述多个激振器用于在不同的位置同时激振，激励高档数控机床使其振动；
[0010] 所述多个力传感器，分布安装在预先确定的机床各激振点位置上，用于分别获得 多个激振器发出的激振力信号并发送给数据采集仪；
[0011] 所述数据采集仪用于实时采集和记录振动响应信号与激振力信号并传送给工业 计算机；
[0012] 所述激光扫描装置，用于获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发 送给数据采集仪；所述激光扫描装置进一步包括：
[0013] 所述激光测振仪用于通过激光测振仪位置自动调整机构，对高档数控机床的响 应测点进行逐点扫描，获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发送给数据采 集仪；
[0014] 所述激光测振仪位置自动调整机构，用于自动调整激光测振仪在该机构X轴上的 位置、激光测振仪在该机构Z轴上的位置以及激光测振仪在该机构上绕着Z轴旋转的角度， 该机构还可以由用户根据测试需要移动到所需位置；
[0015] 所述工业计算机用于控制信号发生器发出相应频率的激励信号；根据机床的结 构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型；基于所获得的各个激振点对应的激振 力信号和各个响应测点的响应信号，计算得出多个频响函数；利用多输入多响应模态参数 识别方法识别频响函数，得到高档数控机床的固有频率和机床模态振型；对获得的机床模 态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。
[0016] 根据所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，所述激光测振仪位 置自动调整机构由XZ移动平台和Z轴旋转平台组合构成，且Z轴旋转平台可以在XZ移动 平台上沿着Z轴移动和沿着X轴移动；所述激光测振仪设置在Z轴旋转平台上。
[0017] 采用所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置确定高档数控机床 模态振型的方法，包括如下步骤：
[0018] 步骤1 :将高档数控机床调整到测试状态；
[0019] 步骤2:根据机床的结构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型，并在 该高档数控机床的线框模型上确定响应测点及各响应测点的感兴趣振动方向；
[0020] 步骤3 :从步骤2中所确定的响应测点中选择j个响应测点作为激振点；
[0021] 步骤4:将多个力传感器分布安装在各激振点位置上；
[0022] 步骤5 :利用高档数控机床的线框模型，进行激振参数预判实验，确定激振点的数 量、激振点的位置和激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0023] 步骤5-1 :为获得良好的实验结果，在正式实验进行之前需进行激振参数预判实 验，在机床的线框模型中选取i个响应测点，i的个数满足：
[0024] i彡人j (1)
[0025] 式中，A=3~5,A取值愈大，则激振参数预判实验效果愈好，调节激光测点到 上述i个响应测点位置，并分别测试获得i个响应测点分别相对于各激振点的相干函数，得 到i*j组相干函数；
[0026] 步骤5-2:针对每个激振点，将i个响应测点分别相对于激振点的相干函数进行求 和取平均计算出激振点的集总相干函数，得到j个集总相干函数；如果集总相干函数对应 的相干系数绝大部分值大于〇. 8,则证明该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向符合振 型测试的要求，则该激振点的激振参数可用于正式实验；如果集总相干函数对应的相干系 数绝大部分值小于〇. 8,则需要调整该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向；
[0027] 步骤5-3:重复步骤5-2,直到完成全部激振点的预判，并最终确定激振点的数量、 各激振点的位置和各激振点的激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0028] 步骤6 :开始正式实验，启动信号发生器发出随机激励信号，并通过功率放大器将 激励信号放大后输入给对应的激振器；
[0029] 步骤7 :各激振器以不同的激励幅度同时对被测机床进行激励，同时通过数据采 集仪实时记录各个激振点对应的激振力信号；
[0030] 步骤8 :确定激光扫描的速率，使用激光扫描装置，沿机床响应测点进行逐点扫 描，扫描时分别沿+X，-X，+Y，-Y四个方向，按照逐行扫描或者逐列扫描的方式进行，扫描过 程中通过数据采集仪实时记录响应信号的时域波形，获得机床线框模型在不同行和不同列 对应的振动扫描时域信号；
[0031] 步骤9 :通过滑窗缩减法准确辨识线框模型中不同行和不同列的振动扫描信号所 对应的不同响应测点的响应信号；
[0032] 步骤9-1 :确定滑窗个数；
[0033] 根据扫描信号对应的行或者列中包含的n个测点，确定滑窗的个数为n;
[0034] 步骤9-2 :确定滑窗位置；
[0035] 假设激光扫描装置的扫描速率为V，完成某行或者某列的振动响应时间为t，且扫 描第1 个响应测点对应的时刻为扫描起始时刻h，则相邻两个响应测点的时间差t为：
[0036] t=t/(n-l) (2)
[0037] 此时所关注的第k个测点（k= 1，2,…，n)对应的时刻即为：
[0039] 步骤9-3 :利用滑窗宽度确定准则，设置滑窗的时间宽度；所述的滑窗宽度确定准 则如下：
[0041] 式中，At为滑窗宽度；d为单个响应测点的直径，一般为0.001~0.005m;v为激 光扫描装置的扫描速率，单位为m/s;
[0042] 步骤9-4 :从振动扫描信号中提取响应测点的响应信号；
[0043] 对于k= 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信号的h时刻到tfAt时刻为 响应测点的响应信号；对于k= 2,…，n-1，即第2个响应测点到第n-1个响应测点，取振动 扫描时域信号的tk_0. 5At时刻到tk+0. 5At时刻为响应测点的响应信号；对于k=n，即 第n个响应测点，取振动扫描时域信号的t- △t时刻到t时刻为响应测点的响应信号。
[0044] 步骤10:基于所获得的各个激振点对应的激振力信号和各个响应测点的响应信 号，计算得出多个频响函数；
[0045] 步骤11 :利用多输入多响应模态参数识别方法识别频响函数，得到高档数控机床 的固有频率和机床模态振型，并对获得的机床模态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。
[0046] 有益效果：本发明利用了激光测振仪非接触无损测试的优点，在激光测振仪的基 础上，针对结构尺寸大、表面形状复杂的高档数控机床模态振型测试的需求，开发了具有灵 活移动、快速扫描测振功能的激光扫描装置，还提出了滑窗缩减法来更加准确、更有效率地 完成高档数控机床模态振型测试的任务，弥补了机床行业先进的测量技术与测量手段的缺 失，有助于提高国内高档数控机床的市场竞争力。
【附图说明】
[0047]图1为本发明一种实施方式的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置 的结构不意图；
[0048] 图2为本发明一种实施方式的激光测振仪位置自动调整机构的结构示意图；
[0049]图3为本发明一种实施方式的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试方法 流程图；
[0050] 图4为本发明一种实施方式的高档数控机床的线框模型图；
[0051]图5为本发明一种实施方式的采用激光扫描装置获取高档数控机床的不同响应 测点的振动响应信号的示意图；
[0052] 图6为本发明一种实施方式的从振动扫描信号中辨识不同响应测点的响应信号 的方法示意图；
[0053] 图7为本发明一种实施方式的用于识别固有频率、阻尼比及模态振型的频响函数 曲线图；
[0054] 图8为本发明一种实施方式的高档数控机床的第3阶模态振型动画图。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
[0056] 本发明的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，如图1所示，包括：信 号发生器、多个功率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业 计算机；其中，信号发生器的输入端与工业计算机的输出端连接；信号发生器的输出端同 时连接各功率放大器的输入端；多个功率放大器与多个激振器之间以及多个激振器与多个 力传感器之间均为为一对一独立连接，即一个功率放大器的输出端与对应的一个激振器的 输入端连接，一个激振器的输出端与对应的一个力传感器的输入端连接；多个力传感器分 布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接数据采集仪的输 入端；数据采集仪的另一输入端与激光扫描装置中的激光测振仪的输出端相连接；同时， 数据采集仪还与工业计算机互联；
[0057] 所述激光扫描装置，用于获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发 送给数据采集仪；所述激光扫描装置进一步包括激光测振仪和激光测振仪位置自动调整 机构：激光测振仪用于通过激光测振仪位置自动调整机构，对高档数控机床的激振测点 进行逐点扫描，获得高档数控机床的不同激振测点的振动响应信号并发送给数据采集仪； 本实施方式的激光测振仪采用的是S0PT0PLV-S01-DB非接触式便携式激光测振仪，其通 过BNC输出端与数据采集分析仪连接，其振动速度最小分辨率为0. 02ym/s，其工作距离为 0. 15m~30m，频率范围为1Hz~22KHZ，使用红色激光，安全可见，用于弥补传统加速度传 感器附加质量太重而对测试系统固有特性的影响；所述激光测振仪位置自动调整机构用于 自动调整激光测振仪在该机构X轴上的位置、激光测振仪在该机构Z轴上的位置以及激光 测振仪在该机构上绕着Z轴旋转的角度，该机构还可以由用户根据测试需要移动到所需位 置。本实施方式的激光测振仪位置自动调整机构如图2所示，由XZ移动平台和Z轴旋转平 台组合构成，且Z轴旋转平台可以在XZ移动平台上沿着Z轴移动和沿着X轴移动；本实施 方式的SOPTOPLV-S01-DB非接触式便携式激光测振仪设置在Z轴旋转平台上。
[0058] 所述信号发生器用于根据工业计算机的指令，发出多路随机激励信号并分别发送 给多个功率放大器；本实施方式的信号发生器采用的是泰克公司的SG4100ARF型信号发生 器；所述多个功率放大器用于同时分别对多路激励信号进行放大，并将放大后的激励信号 分别发送给多个激振器；本实施方式的功率放大器采用的是BK公司的2732型功率放大器； 所述多个激振器用于在不同的位置同时激振，激励高档数控机床使其处于不同阶次的共振 状态；由于高档数控机床的结构尺寸较大，用力锤或单个激振器很难对其进行有效激励，需 要使用多个激振器在不同的位置同时激振，才能达到良好的振型测试效果，且为了更加准 确地获得高档数控机床的三维振型，还需要在不同的方向同时激振；本实施方式的激振器 采用的是B&K公司的4824型激振器；所述多个力传感器分布安装在预先确定的机床各激振 点位置上，用于分别获得多个激振器发出的激振力信号并发送给数据采集仪；本实施方式 的力传感器采用的是B&K公司的8230-002型力传感器；所述数据采集仪用于实时采集和记 录振动响应信号与激振力信号并传送给工业计算机；本实施方式的数据采集分析仪采用的 是B&K公司的3560-D便携式多通道数据采集仪，该数据采集分析仪通过网线与工业计算机 连接；
[0059] 所述工业计算机用于控制信号发生器发出相应频率的激励信号；根据机床的结 构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型；基于所获得的各个激振点对应的激振 力信号和各个响应测点的响应信号，计算得出多个频响函数；利用多输入多响应模态参数 识别方法识别频响函数，得到高档数控机床的固有频率和机床模态振型；对获得的机床模 态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。本实施方式的工业计算机选用的是DELLM6400 高性能笔记本电脑。
[0060] 本实施方式的高档数控机床为沈阳机床厂生产的立式加工中心，其型号为VMC 0540d，其尺寸参数如表1所示。
[0061] 表1高档数控机床尺寸参数（mm)
[0062]
[0064] 采用所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置确定高档数控机床 模态振型的方法，如图3所示，包括如下步骤：
[0065]步骤1 :将本实施方式的高档数控机床调整到测试状态：去掉高档数控机床的防 护设备，操作机床数控系统，将机床调整到常用的工作位置，确保其滑动部件处于固定锁死 状态；同时，拧紧机床的地脚螺栓，确保在测试过程中其约束边界条件保持不变；
[0066] 步骤2 :根据机床的结构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型，并在 该高档数控机床的线框模型上确定响应测点及各响应测点的感兴趣振动方向；
[0067]根据表1所示本实施方式的高档数控机床的尺寸参数建立高档数控机床的线框 模型，本实施方式的高档数控机床的线框模型以及在该线框模型上确定的响应测点，如图4 所示；
[0068]步骤3 :从步骤2中所确定的响应测点中选择3个响应测点作为激振点；
[0069]步骤4 :将多个力传感器分布安装在各激振点位置上；
[0070] 步骤5 :进行激振参数预判实验，确定激振点的数量、位置和方向，以及每个激振 点激振力的幅度；
[0071] 步骤5-1 :为获得良好的实验结果，在正式实验进行之前需进行激振参数预判实 验，在机床的线框模型中选取i个响应测点，i的个数满足：
[0072] i彡人j (1)
[0073]式中，A= 3~5,A取值愈大，则激振参数预判结果愈准确，但花费时间愈长。调 节激光测点到上述i个响应测点位置，并分别测试获得i个响应测点分别相对于各激振点 的相干函数，得到i*j组相干函数；
[0074]步骤5-2:针对每个激振点，将i个响应测点分别相对于激振点的相干函数进行求 和取平均计算出激振点的集总相干函数，得到j个集总相干函数；如果集总相干函数对应 的相干系数绝大部分值大于〇. 8,则证明该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向符合振 型测试的要求，则该激振点的激振参数可用于正式实验；如果集总相干函数对应的相干系 数绝大部分值小于〇. 8,则需要调整该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向；
[0075] 步骤5-3:重复步骤5-2,直到完成全部激振点的预判，并最终确定激振点的数量、 各激振点的位置和各激振点的激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0076] 如图5所示，分别在床身、立柱及主轴箱安装固定力传感器，并进行激振参数预 判实验；根据激振参数预判实验结果，确定激振点的数量为3个、位置及方向分别为为 +83Y、-292X、+121X，各个激振器的平均激振力幅度分别为45N、87N、64N，
[0077] 步骤6:开始正式实验，启动信号发生器发出随机激励信号，并通过2732型功率放 大器将激励信号放大后输入给对应的4824型激振器；
[0078] 步骤7:各激振器以不同的激励幅度同时对被测机床进行激励，同时通过3560-D 便携式多通道数据采集仪实时记录各个激振点对应的激振力信号；
[0079] 步骤8:确定激光扫描的速率，借助XZ移动平台及Z轴旋转平台，利用S0PT0P LV-S01-DB非接触式便携式激光测振仪沿机床响应测点进行逐点扫描，扫描时分别沿 +X，-X，+Y，-Y四个方向，如图5所示，按照逐行扫描或者逐列扫描的方式进行，扫描过程中 通过3560-D便携式多通道数据采集仪实时记录响应信号的时域波形；获得机床线框模型 在不同行和不同列对应的振动扫描时域信号，并对振动扫描信号以及扫描方向进行编号；
[0080] 其中扫描时，被激振器遮挡住的响应测点先不进行扫描，而是在整体扫描结束后 进行手动测试；
[0081] 步骤9 :通过滑窗缩减法准确辨识线框模型中不同行和不同列的振动扫描信号所 对应的不同响应测点的响应信号，如图6所示；
[0082] 步骤9-1 :确定滑窗个数；
[0083] 根据扫描信号对应的行或者列中包含的n个测点，确定滑窗的个数为n;
[0084] 步骤9-2 :确定滑窗位置；
[0085] 假设激光扫描装置的扫描速率为V，完成某行或者某列的振动响应时间为t，且扫 描第1个响应测点对应的时刻为扫描起始时刻h，则相邻两个响应测点的时间差T为：
[0086] t=t/(n-l) (2)
[0087] 此时所关注的第k个测点对应的时刻即为：
[0089]步骤9-3 :利用滑窗宽度确定准则，设置滑窗的时间宽度；所述的滑窗宽度确定准 则如下：
[0091] 式中，At为滑窗宽度；d为单个响应测点的直径，一般为0.001~0.005m;v为激 光扫描装置的扫描速率，单位为m/s;
[0092] 步骤9-4 :从振动扫描信号中提取响应测点的响应信号；
[0093] 对于k= 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信号的h时刻到tfAt时刻为 响应测点的响应信号；对于k= 2,…，n-1，即第2个响应测点到第n-1个响应测点，取振动 扫描时域信号的tk_0. 5At时刻到tk+0. 5At时刻为响应测点的响应信号；对于k=n，即 第n个响应测点，取振动扫描时域信号的t- △t时刻到t时刻为响应测点的响应信号。
[0094] 例如图6所示的从振动扫描信号中提取3个响应测点的响应信号，其中At= 0. 5s，tQ= 0s，12= 4. 45s，13= 8. 9s，对于k= 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信 号的Os到0. 5s为响应测点的响应信号；对于k= 2,即第2个响应测点，取振动扫描时域 信号的4. 2s到4. 7s为响应测点的响应信号；对于k= 3,即第3个响应测点，取振动扫描 时域信号的8. 4s到8. 9s为响应测点的响应信号。
[0095] 步骤10 :基于所获得的各个激振点对应的激振力信号和各个响应测点的响应信 号，计算得出多个频响函数，如图7所示，计算公式如下：
[0097] 式中，X(f)为响应信号的频谱，F(f)为激振力信号的频谱。
[0098] 步骤11:利用多输入多响应模态参数识别方法识别频响函数，前100Hz内识别的 结果见表2,得到高档数控机床的固有频率、阻尼比和机床模态振型，并对获得的机床模态 振型进行仿真，得到机床模态振型动画，其中第3阶振型如图8所示，图中的深颜色代表其 所在部分振动幅度相对较大，浅颜色代表其所在部分振动幅度相对较小。
[0099] 表2 100Hz内整机各阶模态参数及振型基本特征
【主权项】
1. 一种基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在于：包括：信号发 生器、多个功率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业计算 机； 所述信号发生器的输入端与所述工业计算机的输出端连接；所述信号发生器的输出端 同时与所述多个功率放大器的输入端相连接；所述多个功率放大器与所述多个激振器之间 以及所述多个激振器与所述多个力传感器之间均为为一对一独立连接；所述多个力传感器 分布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接所述数据采集 仪的输入端；所述数据采集仪的另一输入端与所述激光扫描装置中的激光测振仪的输出端 相连接；同时，数据采集仪还与工业计算机互联； 所述激光扫描装置，用于获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发送给 数据采集仪；所述激光扫描装置进一步包括： 激光测振仪，设置在激光测振仪位置自动调整 机构上，用于通过激光测振仪位置自动 调整机构，对高档数控机床的响应测点进行逐点扫描，获得高档数控机床的不同响应测点 的振动响应信号并发送给数据采集仪； 激光测振仪位置自动调整机构，用于自动调整激光测振仪在该机构X轴上的位置、激 光测振仪在该机构Z轴上的位置以及单点激光测振仪在该机构上绕着Z轴旋转的角度，该 机构还可以由用户根据测试需要移动到所需位置； 所述工业计算机用于控制信号发生器发出相应频率的激励信号；根据机床的结构、形 状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型；基于所获得的各个激振点对应的激振力信 号和各个响应测点的响应信号，计算得出多个频响函数；利用多输入多响应模态参数识别 方法识别频响函数，得到高档数控机床的固有频率和机床模态振型；对获得的机床模态振 型进行仿真，得到机床模态振型动画。2. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述信号发生器用于根据工业计算机的指令，发出多路随机激励信号并分别发送给多 个功率放大器；所述多个功率放大器用于同时分别对多路激励信号进行放大，并将放大后 的激励信号分别发送给多个激振器。3. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述多个激振器用于在不同的位置同时激振，激励高档数控机床使其振动。4. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述多个力传感器，用于分别获得多个激振器发出的激振力信号并发送给数据采集仪。5. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征 在于：所述数据采集仪用于实时采集和记录振动响应信号与激振力信号并传送给工业计算 机。6. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述激光测振仪位置自动调整机构由XZ移动平台和Z轴旋转平台组合构成，且Z轴旋 转平台可以在XZ移动平台上沿着Z轴移动和沿着X轴移动。7. 根据权利要求6所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述激光测振仪设置在Z轴旋转平台上。8. 采用权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置测试高档 数控机床模态振型的方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤1 :将高档数控机床调整到测试状态； 步骤2 :根据机床的结构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型，并在该高 档数控机床的线框模型上确定响应测点及各响应测点的感兴趣振动方向； 步骤3 :从步骤2中所确定的响应测点中选择j个响应测点作为激振点； 步骤4 :将多个力传感器分布安装在各激振点位置上； 步骤5 :利用高档数控机床的线框模型，进行激振参数预判实验，确定激振点的数量、 激振点的位置和激振方向，以及每个激振点激振力的幅度； 步骤6 :开始正式实验，启动信号发生器发出随机激励信号，并通过功率放大器将激励 信号放大后输入给对应的激振器； 步骤7 :各激振器以不同的激励幅度同时对被测机床进行激励，同时通过数据采集仪 实时记录各个激振点对应的激振力信号； 步骤8 :确定激光扫描的速率，使用激光扫描装置，沿机床响应测点进行逐点扫描，扫 描时分别沿+X，-X，+Y，-Y四个方向，按照逐行扫描或者逐列扫描的方式进行，扫描过程中 通过数据采集仪实时记录响应信号的时域波形，获得机床线框模型在不同行和不同列对应 的振动扫描时域信号； 步骤9 :通过滑窗缩减法准确辨识线框模型中不同行和不同列的振动扫描信号所对应 的不同响应测点的响应信号； 步骤10 :基于所获得的各个激振点对应的激振力信号和各个响应测点的响应信号，计 算得出多个频响函数； 步骤11 :利用多输入多响应模态参数识别方法识别频响函数，得到高档数控机床的固 有频率和机床模态振型，并对获得的机床模态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。9. 根据权利要求8所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置测试高档 数控机床模态振型的方法，其特征在于：所述的步骤5包括如下步骤： 步骤5-1 :在机床的线框模型中选取i个响应测点，i的个数满足： i 彡 λ j (I) 其中λ = 3~5 ;调节激光测点到上述i个响应测点位置，并分别测试获得i个响应 测点分别相对于各激振点的相干函数，得到i*j组相干函数； 步骤5-2 :针对每个激振点，将i个响应测点分别相对于激振点的相干函数进行求和取 平均计算出激振点的集总相干函数，得到j个集总相干函数；如果集总相干函数对应的相 干系数绝大部分值大于〇. 8,则证明该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向符合振型测 试的要求，可用于正式实验；如果集总相干函数对应的相干系数绝大部分值小于〇. 8,则需 要调整该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向； 步骤5-3 :重复步骤5-2,直到完成全部激振点的预判，并最终确定激振点的数量、各激 振点的位置和各激振点的激振方向，以及每个激振点激振力的幅度。10. 根据权利要求8所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置测试高档 数控机床模态振型的方法，其特征在于：所述的步骤9包括如下步骤： 步骤9-1 :确定滑窗个数； 根据扫描信号对应的行或者列中包含的η个测点，确定滑窗的个数为η ; 步骤9-2 :确定滑窗位置； 假设激光扫描装置的扫描速率为v，完成某行或者某列的振动响应时间为t，且扫描第 1个响应测点对应的时刻为扫描起始时刻t(l，则相邻两个响应测点的时间差τ为： τ = t/ (n-1) (2) 此时所关注的第k个测点（k= 1，2, ···，!!）对应的时刻即为：(3) 步骤9-3 :利用滑窗宽度确定准则，设置滑窗的时间宽度；所述的滑窗宽度确定准则如 下：(4) 式中，At为滑窗宽度；d为单个响应测点的直径，一般为0.001~0.005m ;v为激光扫 描装置的扫描速率，单位为m/s; 步骤9-4 :从振动扫描信号中提取响应测点的响应信号； 对于k = 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信号的h时刻到t d △ t时刻为响应测 点的响应信号；对于k = 2,…，n-1，即第2个响应测点到第n-1个响应测点，取振动扫描时 域信号的tk-0. 5 Λ t时刻到tk+0. 5 Λ t时刻为响应测点的响应信号；对于k = n，即第η个 响应测点，取振动扫描时域信号的t-At时刻到t时刻为响应测点的响应信号。
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置及方法，属于振动测试技术领域。包括：信号发生器、多个功率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业计算机；信号发生器同时与工业计算机、多个功率放大器相连接；多个功率放大器与多个激振器之间以及多个激振器与多个力传感器之间均为一对一独立连接；多个力传感器分布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接所述数据采集仪的输入端；数据采集仪的另一输入端与激光扫描装置中的激光测振仪的输出端相连接；同时，数据采集仪还与工业计算机互联；本发明弥补了机床行业先进的测量技术与测量手段的缺失。
【IPC分类】G01H9/00
【公开号】CN104897268
【申请号】CN201510309191
【发明人】李鹤, 李晖, 杨广义, 孙荣健
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
【技术领域】
[0001] 本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种基于激光扫描的高档数控机床模态 振型测试装置及方法。
【背景技术】
[0002] 在机床行业，一般以数控机床所控制的轴数为标准来划分档次，三轴以下的为低 档，三至五轴、或五轴以上为高档数控机床。目前，我国机床制造企业竞相研发高档数控机 床，但我国多半个高档数控机床市场份额被外商所占有，其中的一个重要原因是机床行业 基础研发能力薄弱，实验软、硬件条件落后，缺乏先进的测量技术与测量手段。高档数控机 床振型测试是机床研发过程中的一个重要环节，一般包括模态振型测试和工作振型测试， 其对于了解机床的薄弱环节、结构优化设计、故障诊断、切削稳定性预测等都具有极其重要 的意义。由于激光测振仪具有非接触无损测试的优点，且测振距离可调，还可以实现高速旋 转、高频、高温等环境的振动测试。目前，许多机床企业希望将其应用于高档数控机床的模 态振型测试，但由于传统的激光测振仪使用不方便，无法满足结构尺寸大、表面形状复杂的 高档数控机床模态振型测试的需求。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于激光扫描的高档数控机床模态振 型测试装置及方法。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] -种基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，包括：信号发生器、多个功 率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业计算机；
[0006] 所述信号发生器的输入端与所述工业计算机的输出端连接；所述信号发生器的输 出端同时与所述多个功率放大器的输入端相连接；所述多个功率放大器与所述多个激振器 之间以及所述多个激振器与所述多个力传感器之间均为为一对一独立连接；所述多个力传 感器分布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接所述数据 采集仪的输入端；所述数据采集仪的另一输入端与所述激光扫描装置中的激光测振仪的输 出端相连接；同时，数据采集仪还与工业计算机互联；
[0007] 所述信号发生器用于根据工业计算机的指令，发出相应频率的多路随机激励信号 并分别发送给多个功率放大器；
[0008] 所述多个功率放大器用于同时分别对多路激励信号进行放大，并将放大后的激励 信号分别发送给多个激振器；
[0009] 所述多个激振器用于在不同的位置同时激振，激励高档数控机床使其振动；
[0010] 所述多个力传感器，分布安装在预先确定的机床各激振点位置上，用于分别获得 多个激振器发出的激振力信号并发送给数据采集仪；
[0011] 所述数据采集仪用于实时采集和记录振动响应信号与激振力信号并传送给工业 计算机；
[0012] 所述激光扫描装置，用于获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发 送给数据采集仪；所述激光扫描装置进一步包括：
[0013] 所述激光测振仪用于通过激光测振仪位置自动调整机构，对高档数控机床的响 应测点进行逐点扫描，获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发送给数据采 集仪；
[0014] 所述激光测振仪位置自动调整机构，用于自动调整激光测振仪在该机构X轴上的 位置、激光测振仪在该机构Z轴上的位置以及激光测振仪在该机构上绕着Z轴旋转的角度， 该机构还可以由用户根据测试需要移动到所需位置；
[0015] 所述工业计算机用于控制信号发生器发出相应频率的激励信号；根据机床的结 构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型；基于所获得的各个激振点对应的激振 力信号和各个响应测点的响应信号，计算得出多个频响函数；利用多输入多响应模态参数 识别方法识别频响函数，得到高档数控机床的固有频率和机床模态振型；对获得的机床模 态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。
[0016] 根据所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，所述激光测振仪位 置自动调整机构由XZ移动平台和Z轴旋转平台组合构成，且Z轴旋转平台可以在XZ移动 平台上沿着Z轴移动和沿着X轴移动；所述激光测振仪设置在Z轴旋转平台上。
[0017] 采用所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置确定高档数控机床 模态振型的方法，包括如下步骤：
[0018] 步骤1 :将高档数控机床调整到测试状态；
[0019] 步骤2:根据机床的结构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型，并在 该高档数控机床的线框模型上确定响应测点及各响应测点的感兴趣振动方向；
[0020] 步骤3 :从步骤2中所确定的响应测点中选择j个响应测点作为激振点；
[0021] 步骤4:将多个力传感器分布安装在各激振点位置上；
[0022] 步骤5 :利用高档数控机床的线框模型，进行激振参数预判实验，确定激振点的数 量、激振点的位置和激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0023] 步骤5-1 :为获得良好的实验结果，在正式实验进行之前需进行激振参数预判实 验，在机床的线框模型中选取i个响应测点，i的个数满足：
[0024] i彡人j (1)
[0025] 式中，A=3~5,A取值愈大，则激振参数预判实验效果愈好，调节激光测点到 上述i个响应测点位置，并分别测试获得i个响应测点分别相对于各激振点的相干函数，得 到i*j组相干函数；
[0026] 步骤5-2:针对每个激振点，将i个响应测点分别相对于激振点的相干函数进行求 和取平均计算出激振点的集总相干函数，得到j个集总相干函数；如果集总相干函数对应 的相干系数绝大部分值大于〇. 8,则证明该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向符合振 型测试的要求，则该激振点的激振参数可用于正式实验；如果集总相干函数对应的相干系 数绝大部分值小于〇. 8,则需要调整该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向；
[0027] 步骤5-3:重复步骤5-2,直到完成全部激振点的预判，并最终确定激振点的数量、 各激振点的位置和各激振点的激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0028] 步骤6 :开始正式实验，启动信号发生器发出随机激励信号，并通过功率放大器将 激励信号放大后输入给对应的激振器；
[0029] 步骤7 :各激振器以不同的激励幅度同时对被测机床进行激励，同时通过数据采 集仪实时记录各个激振点对应的激振力信号；
[0030] 步骤8 :确定激光扫描的速率，使用激光扫描装置，沿机床响应测点进行逐点扫 描，扫描时分别沿+X，-X，+Y，-Y四个方向，按照逐行扫描或者逐列扫描的方式进行，扫描过 程中通过数据采集仪实时记录响应信号的时域波形，获得机床线框模型在不同行和不同列 对应的振动扫描时域信号；
[0031] 步骤9 :通过滑窗缩减法准确辨识线框模型中不同行和不同列的振动扫描信号所 对应的不同响应测点的响应信号；
[0032] 步骤9-1 :确定滑窗个数；
[0033] 根据扫描信号对应的行或者列中包含的n个测点，确定滑窗的个数为n;
[0034] 步骤9-2 :确定滑窗位置；
[0035] 假设激光扫描装置的扫描速率为V，完成某行或者某列的振动响应时间为t，且扫 描第1 个响应测点对应的时刻为扫描起始时刻h，则相邻两个响应测点的时间差t为：
[0036] t=t/(n-l) (2)
[0037] 此时所关注的第k个测点（k= 1，2,…，n)对应的时刻即为：
[0039] 步骤9-3 :利用滑窗宽度确定准则，设置滑窗的时间宽度；所述的滑窗宽度确定准 则如下：
[0041] 式中，At为滑窗宽度；d为单个响应测点的直径，一般为0.001~0.005m;v为激 光扫描装置的扫描速率，单位为m/s;
[0042] 步骤9-4 :从振动扫描信号中提取响应测点的响应信号；
[0043] 对于k= 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信号的h时刻到tfAt时刻为 响应测点的响应信号；对于k= 2,…，n-1，即第2个响应测点到第n-1个响应测点，取振动 扫描时域信号的tk_0. 5At时刻到tk+0. 5At时刻为响应测点的响应信号；对于k=n，即 第n个响应测点，取振动扫描时域信号的t- △t时刻到t时刻为响应测点的响应信号。
[0044] 步骤10:基于所获得的各个激振点对应的激振力信号和各个响应测点的响应信 号，计算得出多个频响函数；
[0045] 步骤11 :利用多输入多响应模态参数识别方法识别频响函数，得到高档数控机床 的固有频率和机床模态振型，并对获得的机床模态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。
[0046] 有益效果：本发明利用了激光测振仪非接触无损测试的优点，在激光测振仪的基 础上，针对结构尺寸大、表面形状复杂的高档数控机床模态振型测试的需求，开发了具有灵 活移动、快速扫描测振功能的激光扫描装置，还提出了滑窗缩减法来更加准确、更有效率地 完成高档数控机床模态振型测试的任务，弥补了机床行业先进的测量技术与测量手段的缺 失，有助于提高国内高档数控机床的市场竞争力。
【附图说明】
[0047]图1为本发明一种实施方式的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置 的结构不意图；
[0048] 图2为本发明一种实施方式的激光测振仪位置自动调整机构的结构示意图；
[0049]图3为本发明一种实施方式的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试方法 流程图；
[0050] 图4为本发明一种实施方式的高档数控机床的线框模型图；
[0051]图5为本发明一种实施方式的采用激光扫描装置获取高档数控机床的不同响应 测点的振动响应信号的示意图；
[0052] 图6为本发明一种实施方式的从振动扫描信号中辨识不同响应测点的响应信号 的方法示意图；
[0053] 图7为本发明一种实施方式的用于识别固有频率、阻尼比及模态振型的频响函数 曲线图；
[0054] 图8为本发明一种实施方式的高档数控机床的第3阶模态振型动画图。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
[0056] 本发明的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，如图1所示，包括：信 号发生器、多个功率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业 计算机；其中，信号发生器的输入端与工业计算机的输出端连接；信号发生器的输出端同 时连接各功率放大器的输入端；多个功率放大器与多个激振器之间以及多个激振器与多个 力传感器之间均为为一对一独立连接，即一个功率放大器的输出端与对应的一个激振器的 输入端连接，一个激振器的输出端与对应的一个力传感器的输入端连接；多个力传感器分 布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接数据采集仪的输 入端；数据采集仪的另一输入端与激光扫描装置中的激光测振仪的输出端相连接；同时， 数据采集仪还与工业计算机互联；
[0057] 所述激光扫描装置，用于获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发 送给数据采集仪；所述激光扫描装置进一步包括激光测振仪和激光测振仪位置自动调整 机构：激光测振仪用于通过激光测振仪位置自动调整机构，对高档数控机床的激振测点 进行逐点扫描，获得高档数控机床的不同激振测点的振动响应信号并发送给数据采集仪； 本实施方式的激光测振仪采用的是S0PT0PLV-S01-DB非接触式便携式激光测振仪，其通 过BNC输出端与数据采集分析仪连接，其振动速度最小分辨率为0. 02ym/s，其工作距离为 0. 15m~30m，频率范围为1Hz~22KHZ，使用红色激光，安全可见，用于弥补传统加速度传 感器附加质量太重而对测试系统固有特性的影响；所述激光测振仪位置自动调整机构用于 自动调整激光测振仪在该机构X轴上的位置、激光测振仪在该机构Z轴上的位置以及激光 测振仪在该机构上绕着Z轴旋转的角度，该机构还可以由用户根据测试需要移动到所需位 置。本实施方式的激光测振仪位置自动调整机构如图2所示，由XZ移动平台和Z轴旋转平 台组合构成，且Z轴旋转平台可以在XZ移动平台上沿着Z轴移动和沿着X轴移动；本实施 方式的SOPTOPLV-S01-DB非接触式便携式激光测振仪设置在Z轴旋转平台上。
[0058] 所述信号发生器用于根据工业计算机的指令，发出多路随机激励信号并分别发送 给多个功率放大器；本实施方式的信号发生器采用的是泰克公司的SG4100ARF型信号发生 器；所述多个功率放大器用于同时分别对多路激励信号进行放大，并将放大后的激励信号 分别发送给多个激振器；本实施方式的功率放大器采用的是BK公司的2732型功率放大器； 所述多个激振器用于在不同的位置同时激振，激励高档数控机床使其处于不同阶次的共振 状态；由于高档数控机床的结构尺寸较大，用力锤或单个激振器很难对其进行有效激励，需 要使用多个激振器在不同的位置同时激振，才能达到良好的振型测试效果，且为了更加准 确地获得高档数控机床的三维振型，还需要在不同的方向同时激振；本实施方式的激振器 采用的是B&K公司的4824型激振器；所述多个力传感器分布安装在预先确定的机床各激振 点位置上，用于分别获得多个激振器发出的激振力信号并发送给数据采集仪；本实施方式 的力传感器采用的是B&K公司的8230-002型力传感器；所述数据采集仪用于实时采集和记 录振动响应信号与激振力信号并传送给工业计算机；本实施方式的数据采集分析仪采用的 是B&K公司的3560-D便携式多通道数据采集仪，该数据采集分析仪通过网线与工业计算机 连接；
[0059] 所述工业计算机用于控制信号发生器发出相应频率的激励信号；根据机床的结 构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型；基于所获得的各个激振点对应的激振 力信号和各个响应测点的响应信号，计算得出多个频响函数；利用多输入多响应模态参数 识别方法识别频响函数，得到高档数控机床的固有频率和机床模态振型；对获得的机床模 态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。本实施方式的工业计算机选用的是DELLM6400 高性能笔记本电脑。
[0060] 本实施方式的高档数控机床为沈阳机床厂生产的立式加工中心，其型号为VMC 0540d，其尺寸参数如表1所示。
[0061] 表1高档数控机床尺寸参数（mm)
[0062]
[0064] 采用所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置确定高档数控机床 模态振型的方法，如图3所示，包括如下步骤：
[0065]步骤1 :将本实施方式的高档数控机床调整到测试状态：去掉高档数控机床的防 护设备，操作机床数控系统，将机床调整到常用的工作位置，确保其滑动部件处于固定锁死 状态；同时，拧紧机床的地脚螺栓，确保在测试过程中其约束边界条件保持不变；
[0066] 步骤2 :根据机床的结构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型，并在 该高档数控机床的线框模型上确定响应测点及各响应测点的感兴趣振动方向；
[0067]根据表1所示本实施方式的高档数控机床的尺寸参数建立高档数控机床的线框 模型，本实施方式的高档数控机床的线框模型以及在该线框模型上确定的响应测点，如图4 所示；
[0068]步骤3 :从步骤2中所确定的响应测点中选择3个响应测点作为激振点；
[0069]步骤4 :将多个力传感器分布安装在各激振点位置上；
[0070] 步骤5 :进行激振参数预判实验，确定激振点的数量、位置和方向，以及每个激振 点激振力的幅度；
[0071] 步骤5-1 :为获得良好的实验结果，在正式实验进行之前需进行激振参数预判实 验，在机床的线框模型中选取i个响应测点，i的个数满足：
[0072] i彡人j (1)
[0073]式中，A= 3~5,A取值愈大，则激振参数预判结果愈准确，但花费时间愈长。调 节激光测点到上述i个响应测点位置，并分别测试获得i个响应测点分别相对于各激振点 的相干函数，得到i*j组相干函数；
[0074]步骤5-2:针对每个激振点，将i个响应测点分别相对于激振点的相干函数进行求 和取平均计算出激振点的集总相干函数，得到j个集总相干函数；如果集总相干函数对应 的相干系数绝大部分值大于〇. 8,则证明该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向符合振 型测试的要求，则该激振点的激振参数可用于正式实验；如果集总相干函数对应的相干系 数绝大部分值小于〇. 8,则需要调整该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向；
[0075] 步骤5-3:重复步骤5-2,直到完成全部激振点的预判，并最终确定激振点的数量、 各激振点的位置和各激振点的激振方向，以及每个激振点激振力的幅度；
[0076] 如图5所示，分别在床身、立柱及主轴箱安装固定力传感器，并进行激振参数预 判实验；根据激振参数预判实验结果，确定激振点的数量为3个、位置及方向分别为为 +83Y、-292X、+121X，各个激振器的平均激振力幅度分别为45N、87N、64N，
[0077] 步骤6:开始正式实验，启动信号发生器发出随机激励信号，并通过2732型功率放 大器将激励信号放大后输入给对应的4824型激振器；
[0078] 步骤7:各激振器以不同的激励幅度同时对被测机床进行激励，同时通过3560-D 便携式多通道数据采集仪实时记录各个激振点对应的激振力信号；
[0079] 步骤8:确定激光扫描的速率，借助XZ移动平台及Z轴旋转平台，利用S0PT0P LV-S01-DB非接触式便携式激光测振仪沿机床响应测点进行逐点扫描，扫描时分别沿 +X，-X，+Y，-Y四个方向，如图5所示，按照逐行扫描或者逐列扫描的方式进行，扫描过程中 通过3560-D便携式多通道数据采集仪实时记录响应信号的时域波形；获得机床线框模型 在不同行和不同列对应的振动扫描时域信号，并对振动扫描信号以及扫描方向进行编号；
[0080] 其中扫描时，被激振器遮挡住的响应测点先不进行扫描，而是在整体扫描结束后 进行手动测试；
[0081] 步骤9 :通过滑窗缩减法准确辨识线框模型中不同行和不同列的振动扫描信号所 对应的不同响应测点的响应信号，如图6所示；
[0082] 步骤9-1 :确定滑窗个数；
[0083] 根据扫描信号对应的行或者列中包含的n个测点，确定滑窗的个数为n;
[0084] 步骤9-2 :确定滑窗位置；
[0085] 假设激光扫描装置的扫描速率为V，完成某行或者某列的振动响应时间为t，且扫 描第1个响应测点对应的时刻为扫描起始时刻h，则相邻两个响应测点的时间差T为：
[0086] t=t/(n-l) (2)
[0087] 此时所关注的第k个测点对应的时刻即为：
[0089]步骤9-3 :利用滑窗宽度确定准则，设置滑窗的时间宽度；所述的滑窗宽度确定准 则如下：
[0091] 式中，At为滑窗宽度；d为单个响应测点的直径，一般为0.001~0.005m;v为激 光扫描装置的扫描速率，单位为m/s;
[0092] 步骤9-4 :从振动扫描信号中提取响应测点的响应信号；
[0093] 对于k= 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信号的h时刻到tfAt时刻为 响应测点的响应信号；对于k= 2,…，n-1，即第2个响应测点到第n-1个响应测点，取振动 扫描时域信号的tk_0. 5At时刻到tk+0. 5At时刻为响应测点的响应信号；对于k=n，即 第n个响应测点，取振动扫描时域信号的t- △t时刻到t时刻为响应测点的响应信号。
[0094] 例如图6所示的从振动扫描信号中提取3个响应测点的响应信号，其中At= 0. 5s，tQ= 0s，12= 4. 45s，13= 8. 9s，对于k= 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信 号的Os到0. 5s为响应测点的响应信号；对于k= 2,即第2个响应测点，取振动扫描时域 信号的4. 2s到4. 7s为响应测点的响应信号；对于k= 3,即第3个响应测点，取振动扫描 时域信号的8. 4s到8. 9s为响应测点的响应信号。
[0095] 步骤10 :基于所获得的各个激振点对应的激振力信号和各个响应测点的响应信 号，计算得出多个频响函数，如图7所示，计算公式如下：
[0097] 式中，X(f)为响应信号的频谱，F(f)为激振力信号的频谱。
[0098] 步骤11:利用多输入多响应模态参数识别方法识别频响函数，前100Hz内识别的 结果见表2,得到高档数控机床的固有频率、阻尼比和机床模态振型，并对获得的机床模态 振型进行仿真，得到机床模态振型动画，其中第3阶振型如图8所示，图中的深颜色代表其 所在部分振动幅度相对较大，浅颜色代表其所在部分振动幅度相对较小。
[0099] 表2 100Hz内整机各阶模态参数及振型基本特征
【主权项】
1. 一种基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在于：包括：信号发 生器、多个功率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业计算 机； 所述信号发生器的输入端与所述工业计算机的输出端连接；所述信号发生器的输出端 同时与所述多个功率放大器的输入端相连接；所述多个功率放大器与所述多个激振器之间 以及所述多个激振器与所述多个力传感器之间均为为一对一独立连接；所述多个力传感器 分布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接所述数据采集 仪的输入端；所述数据采集仪的另一输入端与所述激光扫描装置中的激光测振仪的输出端 相连接；同时，数据采集仪还与工业计算机互联； 所述激光扫描装置，用于获得高档数控机床的不同响应测点的振动响应信号并发送给 数据采集仪；所述激光扫描装置进一步包括： 激光测振仪，设置在激光测振仪位置自动调整 机构上，用于通过激光测振仪位置自动 调整机构，对高档数控机床的响应测点进行逐点扫描，获得高档数控机床的不同响应测点 的振动响应信号并发送给数据采集仪； 激光测振仪位置自动调整机构，用于自动调整激光测振仪在该机构X轴上的位置、激 光测振仪在该机构Z轴上的位置以及单点激光测振仪在该机构上绕着Z轴旋转的角度，该 机构还可以由用户根据测试需要移动到所需位置； 所述工业计算机用于控制信号发生器发出相应频率的激励信号；根据机床的结构、形 状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型；基于所获得的各个激振点对应的激振力信 号和各个响应测点的响应信号，计算得出多个频响函数；利用多输入多响应模态参数识别 方法识别频响函数，得到高档数控机床的固有频率和机床模态振型；对获得的机床模态振 型进行仿真，得到机床模态振型动画。2. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述信号发生器用于根据工业计算机的指令，发出多路随机激励信号并分别发送给多 个功率放大器；所述多个功率放大器用于同时分别对多路激励信号进行放大，并将放大后 的激励信号分别发送给多个激振器。3. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述多个激振器用于在不同的位置同时激振，激励高档数控机床使其振动。4. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述多个力传感器，用于分别获得多个激振器发出的激振力信号并发送给数据采集仪。5. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征 在于：所述数据采集仪用于实时采集和记录振动响应信号与激振力信号并传送给工业计算 机。6. 根据权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述激光测振仪位置自动调整机构由XZ移动平台和Z轴旋转平台组合构成，且Z轴旋 转平台可以在XZ移动平台上沿着Z轴移动和沿着X轴移动。7. 根据权利要求6所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置，其特征在 于：所述激光测振仪设置在Z轴旋转平台上。8. 采用权利要求1所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置测试高档 数控机床模态振型的方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤1 :将高档数控机床调整到测试状态； 步骤2 :根据机床的结构、形状和尺寸关系，建立高档数控机床的线框模型，并在该高 档数控机床的线框模型上确定响应测点及各响应测点的感兴趣振动方向； 步骤3 :从步骤2中所确定的响应测点中选择j个响应测点作为激振点； 步骤4 :将多个力传感器分布安装在各激振点位置上； 步骤5 :利用高档数控机床的线框模型，进行激振参数预判实验，确定激振点的数量、 激振点的位置和激振方向，以及每个激振点激振力的幅度； 步骤6 :开始正式实验，启动信号发生器发出随机激励信号，并通过功率放大器将激励 信号放大后输入给对应的激振器； 步骤7 :各激振器以不同的激励幅度同时对被测机床进行激励，同时通过数据采集仪 实时记录各个激振点对应的激振力信号； 步骤8 :确定激光扫描的速率，使用激光扫描装置，沿机床响应测点进行逐点扫描，扫 描时分别沿+X，-X，+Y，-Y四个方向，按照逐行扫描或者逐列扫描的方式进行，扫描过程中 通过数据采集仪实时记录响应信号的时域波形，获得机床线框模型在不同行和不同列对应 的振动扫描时域信号； 步骤9 :通过滑窗缩减法准确辨识线框模型中不同行和不同列的振动扫描信号所对应 的不同响应测点的响应信号； 步骤10 :基于所获得的各个激振点对应的激振力信号和各个响应测点的响应信号，计 算得出多个频响函数； 步骤11 :利用多输入多响应模态参数识别方法识别频响函数，得到高档数控机床的固 有频率和机床模态振型，并对获得的机床模态振型进行仿真，得到机床模态振型动画。9. 根据权利要求8所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置测试高档 数控机床模态振型的方法，其特征在于：所述的步骤5包括如下步骤： 步骤5-1 :在机床的线框模型中选取i个响应测点，i的个数满足： i 彡 λ j (I) 其中λ = 3~5 ;调节激光测点到上述i个响应测点位置，并分别测试获得i个响应 测点分别相对于各激振点的相干函数，得到i*j组相干函数； 步骤5-2 :针对每个激振点，将i个响应测点分别相对于激振点的相干函数进行求和取 平均计算出激振点的集总相干函数，得到j个集总相干函数；如果集总相干函数对应的相 干系数绝大部分值大于〇. 8,则证明该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向符合振型测 试的要求，可用于正式实验；如果集总相干函数对应的相干系数绝大部分值小于〇. 8,则需 要调整该激振点对应的激励幅度、位置和激振方向； 步骤5-3 :重复步骤5-2,直到完成全部激振点的预判，并最终确定激振点的数量、各激 振点的位置和各激振点的激振方向，以及每个激振点激振力的幅度。10. 根据权利要求8所述的基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置测试高档 数控机床模态振型的方法，其特征在于：所述的步骤9包括如下步骤： 步骤9-1 :确定滑窗个数； 根据扫描信号对应的行或者列中包含的η个测点，确定滑窗的个数为η ; 步骤9-2 :确定滑窗位置； 假设激光扫描装置的扫描速率为v，完成某行或者某列的振动响应时间为t，且扫描第 1个响应测点对应的时刻为扫描起始时刻t(l，则相邻两个响应测点的时间差τ为： τ = t/ (n-1) (2) 此时所关注的第k个测点（k= 1，2, ···，!!）对应的时刻即为：(3) 步骤9-3 :利用滑窗宽度确定准则，设置滑窗的时间宽度；所述的滑窗宽度确定准则如 下：(4) 式中，At为滑窗宽度；d为单个响应测点的直径，一般为0.001~0.005m ;v为激光扫 描装置的扫描速率，单位为m/s; 步骤9-4 :从振动扫描信号中提取响应测点的响应信号； 对于k = 1，即第1个响应测点，取振动扫描时域信号的h时刻到t d △ t时刻为响应测 点的响应信号；对于k = 2,…，n-1，即第2个响应测点到第n-1个响应测点，取振动扫描时 域信号的tk-0. 5 Λ t时刻到tk+0. 5 Λ t时刻为响应测点的响应信号；对于k = n，即第η个 响应测点，取振动扫描时域信号的t-At时刻到t时刻为响应测点的响应信号。
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光扫描的高档数控机床模态振型测试装置及方法，属于振动测试技术领域。包括：信号发生器、多个功率放大器、多个激振器、多个力传感器、激光扫描装置、数据采集仪、工业计算机；信号发生器同时与工业计算机、多个功率放大器相连接；多个功率放大器与多个激振器之间以及多个激振器与多个力传感器之间均为一对一独立连接；多个力传感器分布安装在预先确定的机床各激振点位置上；各个力传感器的输出端均连接所述数据采集仪的输入端；数据采集仪的另一输入端与激光扫描装置中的激光测振仪的输出端相连接；同时，数据采集仪还与工业计算机互联；本发明弥补了机床行业先进的测量技术与测量手段的缺失。
【IPC分类】G01H9/00
【公开号】CN104897268
【申请号】CN201510309191
【发明人】李鹤, 李晖, 杨广义, 孙荣健
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
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